冰為什麼會受到昆蟲和細菌影響？

跟我們所熟知的相反，水並不總是在0℃結冰。知道或控制水在何種溫度下結冰（開始於成核）是至關重要的，回答這樣的問題將有助於我們預測雨雪天氣。根據4月12日發表在《美國化學學會期刊》上的一項研究，美國猶他大學的Valeria Molinero教授等人描述了細菌和昆蟲生產的關鍵蛋白質可以促進或抑製冰的形成，這一結果具有廣泛的應用，特別是在理解雲中的降水方面。

沒有雜質的純水在零下35℃才會結冰，在這個溫度下，水分子會自發地排列成晶格，並開始吸引其他分子加入。然而，要在更高的溫度下開始結冰過程，水分子還需要一些其他的東西，比如灰塵、煤煙或其他雜質，這樣水分子就可以在上面形成晶格，這就是成核的過程。

昆蟲、魚類和植物都會產生各種形式的抗凍蛋白，以幫助它們在低溫條件下生存。而植物病原體，尤其是紫丁香假單胞菌，能夠利用蛋白質促進冰的形成，誘導宿主受到傷害。

形成冰核的蛋白質，如紫丁香假單胞菌中的蛋白質，與初生的冰晶結合，從而降低額外冷凍的能量成本。它們還可以聚合在一起，進一步增強成核能力。這些蛋白質非常有效，它們可以在-2℃下形成冰核。冰核蛋白已經在滑雪場投入使用，以促進造雪機的運轉。

然而，抗凍蛋白也會與冰結合，它會迫使冰形成一個彎曲的表面，從而阻止額外的凍結，使其需要更低的溫度才能結冰。此外，抗凍蛋白不會聚集在一起。Molinero說：「它們已經進化成獨行俠，它們的工作就是找到冰核並附著在上面堅持住。」

此外，我們還知道抗凍蛋白相對較小而冰核蛋白相對較大。但是，我們還不知道這些蛋白質的大小和聚集行為如何影響冰成核的溫度，這正是Molinero的團隊著手解決的問題。

Molinero和研究生Yuqing Qiu以及Arpa Hudait對蛋白質與水分子的相互作用進行了分子模擬，以觀察它們如何影響冰成核的溫度。Molinero說，防凍劑和冰核蛋白與冰的結合強度幾乎相同。她說：「大自然用一顆子彈就解決了兩個完全不同的問題。它通過改變蛋白質的大小和它們形成更大的冰結合表面的能力解決了抗凍和成核兩個問題。」

研究人員發現，抗凍蛋白的成核溫度略高於-35℃，這與實驗數據相符。延長模擬蛋白可以提高成核溫度，但這在一定長度後會趨於穩定。模擬結果表明，在成核溫度為-2℃的條件下，進一步將約35種細菌蛋白組裝成更大的結構域，是實現聚乳酸鏈球菌成核性能的關鍵。Molinero說：「我們現在能夠預測細菌形成冰核的溫度，這個成核溫度取決於細菌有多少冰核蛋白，同樣也能夠預測抗凍蛋白的成核溫度。在知悉蛋白質如何利用大小和聚集來調節冰成核的程度之後，我們可以設計新的蛋白質或合成材料，使冰在特定的溫度下成核。」

這一發現的意義一直延伸到地球水資源的未來。降水開始於冰，冰成核並增長，直到它重到可以沉澱下來。在較冷的高海拔地區，煤煙和灰塵會觸發成核。但在低海拔地區，引發成核的不是灰塵，而是細菌。

科界原創

編譯：花花

審稿：西莫

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